弱磁区调速

电气传动 2008年第38卷第8期 EI。ECTRICDRIVE2008V01．38No．8 感应电机在弱磁区的电流解耦控制研究 刘军锋，李叶松 (华中科技大学控制科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系，湖北武汉430074) 摘要：为了实现感应电机的宽范围调速，针对按转子磁场定向时，d，q轴电流的耦合效应，引入复平面矢 量分析法，建立了感应电机的电压一电流矢量模型，分析了同步旋转PI控制器在解耦方面的不足，提出了评 价耦合强度的频率函数。在复数传递函数的基础上，提出了一种电流矢量控制器，该控制器在确定系数后，无 需电机参数，就可在宽调速范围内实现电流解耦控制。实验结果证明了该方法的有效性和正确性。 关键词：感应电机；弱磁控制；电流控制；解耦控制 中图分类号：TM346 文献标识码：A ResearchforCuITentDecouplingControlofInductionMotorinField。weakeningRegion LIUJun—feng，LlYe_song (DP加九m鲫￡D，co咒f加￡S商mce4行dE，lgi疗PPring，H抛砌。以gUhi化"以yD，&iP行ce口行d 了■c．Il，loZogy，矾^n刀430074，HM6旧i，C施i，^口) Abstmct：Inordertoimplementthespeedregulationinawiderange，thecomplexvectoranalysismethod 、^倔sintroducedaimedtothecrosscouplingofd，口axiscurrentofinductionmotorbasedonrotorfluxorienta— tion．Thevoltage—currentvectormodelwasestablished．ThelackofdecouplingofsynchmnousframePIcon— trollerwasanalyzed．Afrequencyfunctionwhichisusedtoverdictstiffnessofcouplingwaspresented．Acur- rentvectorcontrollerwaspresentedbasedoncomplextransferfunctio玑Decouplingcontrolofcurrentina widespeedrangecanberealizeddispensingwithmotorparametersafterthecontroUercoefficientsaredeter— mined．Thevalidityofthismethodhasbeenapprovedbyexperimentalresults． K|eywords：inductionmotor；field—weakeningcontrol；currentcontrol；decouplingcontrol 1 引言 当前，采用矢量控制技术即磁场定向技术的 全数字感应电机交流调速系统已广泛应用于诸多 领域。随着实际系统对调速范围的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 不断提 高，具备弱磁控制的交流调速系统越来越多地应 用于主轴驱动、电力机车和电动汽车等领域。 电机转速超过基速以后，由于输出电压达到 最大值，为了保持电压平衡，随着转速升高，必须 减小磁通，以减小反电势，此时电机进入弱磁调速 区。交流调速系统的调速范围主要由电机的输出 力矩决定，因此，感应电机的弱磁控制研究也主要 是围绕输出力矩最大化来进行的n叫]。为了实现 最大力矩输出，需要明确两个问题[5]：1)选取合适 的励磁电流和力矩电流分量，即电流分配；2)采用 先进的电流调节方法，使实际电流在高频区能快 速跟随指令，即电流调节。当前，实际系统多采用 基于同步旋转坐标系的PI电流调节器，这样可以 将励磁(d轴)电流和力矩(q轴)电流作为两个直 流量进行调节，然而按转子磁场定向的矢量控制 并未实现磁链和力矩的完全解耦，随着转速的上 升，d轴和口轴之间的耦合电压在输出电压中所 占比重越来越大[6]，严重影响电流调节性能。 本文针对感应电机弱磁调速时，电流调节中 的d，口轴耦合问题，运用复平面矢量分析法，将 d，口轴分量归一为矢量形式，这样可以使电机模 型简化为单输入单输出系统，基于连续域的分析， 提出了一种高频区的电流解耦控制方法，并对上 述方法进行了实验验证。 2 基于复平面矢量 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示的感应电机 模型 按转子磁场定向时，将以同步角频率吐旋转 的d—q坐标系的d轴选取在与转子磁链缈，相 作者简介：刘军锋(1979一)。男，博士后，Email：saviola_bf@126．com 24 万方数据 刘军锋，等：感应电机在弱磁区的电流解耦控制研究 电气传动 2008年第38卷第8期 重合的位置，使转子磁链的q轴分量为零，那么， 感应电机的电压方程为[71 “幺=乩。夕瑰+R：i：。一峨也。i；。一±孚笋q等(1) ■。r T ． 乱；5=巧L。户i；。+R：i；5+∞。吐。i：。+兰罟等望譬(2) 式中：“：。，“；s为d，口轴电压分量；i：。，珞为d，q轴 电流分量；Lm为互感；L。，Lr为定、转子自感，L。= Lr；儿为总漏感，aL=(LsLr一瑶)L|／(LsLr)；∞。为 同步角频率；R：一R。+(L。／L，)2R，，R。为定子电 阻，R，为转子电阻。 由式(1)和式(2)可知，d，q轴电压存在耦合 分量一∞。吐，舔和吐吐。i；。，同时还存在反电势分 量一(L。R，／L；)蟛和(L。吐／L，)《。从控制系统 的角度看，反电势分量可以看作系统的一个外加 扰动，耦合电压分量和反电势分量是相互独立的。 因此在分析耦合电压的影响时，可以暂不考虑反 电势分量，本文主要研究的是耦合电压的解耦控 制，由此得到如下模型： “幺=dL。p玩+R：i：。一吐以，，珞 (3) "刍一吐。p珞+R：珞+吐以，。i：。 (4) 式(4)和式(5)表示的是一个两输入两输出的系 统，需要运用状态方程进行建模，这给系统设计和 性能分析带来了不便。 为了简化系统模型，引入复平面的矢量表示 法。定义同步坐标系下的电流和电压矢量为 “：一“：。+j“；l (5) 《一i：。+j缘 (6) 根据式(3)～式(6)可得，复平面内矢量形式表示 的感应电机电压方程为 “：=(R：+吐。夕)《+j∞。也，《 (7) 式(7)为一个单输入单输出系统，根据式(7)便于 对系统进行分析。但此时，系统的零极点不一定 是按共扼复数对形式出现的。 本文所用感应电机参数为：额定电压Uc= 350V，额定电流，。=13A，额定功率P。一5．5 kw，额定转速竹。=1500r／min，极对数户=2，转 动惯量J—O．02kg·m2，最大转速7l一=8ooO r／min，定子电阻R。一0．813Q，转子电阻R，= 0．531Q，定子自感L。=106．24mH，转子自感L，= 108．73mH，互感L。=102．38mH。 3 电流控制方法分析 3．1传统同步旋转PI控制 同步旋转PI控制是指在同步旋转系内分别 对d轴电流和g轴电流实施控制，由于经过同步 旋转变换以后交流电流变成了直流量，该方法控 制效果优于三相正弦电流PI控制。图1所示为 其控制结构。 图l同步旋转PI控制系统结构 Fig．1Systemstructuralofusingsynchyronous rotationPIcontro儿er 根据图1，同步旋转坐标系下，系统的闭环传 递函数为争=研而杂等靠㈣一：=——-———-—!——————-———々—————二———————————————————————————————一 ‘，‘●《。 儿。，+(R：+K。+j∞。吐。)5+Ki”7 为了分析结果的直观性，应将式(8)转换到静止坐 标系下，为此，将s—j吐代替式中的s，可得静止 坐标系下，系统的传递函数为 圮 Kps+Ki—j吐Kp 《。以。，+(影+K。一j‰dL。)s+Ki—j吐(K，+R：) (9) 式(9)中的调节器系数分别为：K。一1，Ki一130。 由式(9)可以得到同步旋转PI控制系统闭环传递 函数的零、极点分布，如图2所示。 ； _； 曩； 簧一 二i 实部榭·s-l 图2同步旋转PI控制闭环系统零、极点分布 Fig．2Systemc108e‘looppole—zerodistributionof using8ynchronousrotationPIcontroUer 图2中，‘*’表示极点，‘o’表示零点，箭头方 向为吐增大的方向，各点峨的取值为(o，20，40， ⋯，300)×2兀(rad／s)。由图2可知，系统有一个 闭环零点2，(吐)，两个闭环极点夕。(峨)和p。(魄)。 当吐=o时，零极点均位于负实轴上，此时，系统 d，g轴无耦合电压。随着鸭的增大，A(魄)逐渐靠 近虚轴，p。(峨)逐渐远离虚轴，两者不是共扼复数， 此时，d，g轴存在耦合。主导极点夕。(敛)随着哦 的增大是逐渐靠近虚轴的趋势，也即系统的稳定 性将越来越差，这对于需要高速运行的弱磁调速 25 万方数据 电气传动2008年第38卷第8期 刘军锋，等：感应电机在弱磁区的电流解耦控制研究 系统是不利的。 进一步考察式(9)，系统的闭环传递函数还可 以表示为如下复数形式： F。(s)=F。，(s)+jF。i(s)(10) 显然，正是由于式(10)中虚部F。；(s)的存在，导致 了d，口轴耦合的发生。当cc，。=o时，Fi(s)=o，也 说明此时无耦合。 为了研究耦合强度与吐的关系，定义交叉耦 合频率函数为 kuple∽=踹 ⋯) 因此，有 Fcooupl。(j∞)I=IF。i(j∞)l／IF。，(j山)l 可见，F一，-。(s)的幅值，反映了虚部Fci(s)的幅值 与实部F。(s)幅值的比重关系。F。。-。(s)的幅值 越大，说明复数传递函数式(10)越接近实轴，系 统耦合越弱；F。upl。(s)的幅值越大，说明复数传递 函数式(10)越接近虚轴，系统耦合越强。因此， 函数F—pIe(s)的幅频响应特性就反映了d，g轴 的耦合强度，不同吐时，F。。Dle(s)的幅频特性曲 线如图3所示。 星 孽 ∞．／rad·s一1 图3交叉耦合频率函数幅频特性 Fig．3Amplitudefrequencycharacteristicsof cross—couplingfrequencyfunction 图3中箭头所指为吐增大方向，吐的取值为 (50，100，⋯，300)×2兀(rad／s)。从图3可知，随 着∞。的增大，相同响应频率下，Fc。州。(s)的幅值 越大，也即，系统的耦合效应越强，这与文献[6]的 结论是一致的。 3．2复平面矢量控制法 如前文所述，感应电机按转子磁场定向时，基 于同步旋转坐标系的PI控制并没有实现d，g轴 的完全解耦。为了解决耦合问题，有学者提出了 带前馈解耦环节的同步PI控制，该方法在普通同 步旋转PI控制的基础上，直接叠加一个解耦量， 解耦量的计算与电机参数密切相关。显然，该方 法需要准确的电机参数，鲁棒性较差，而且随着 26 cc，。的增大，系统呈现不稳定的趋势Ⅲ。前文基于 复平面矢量表示法建立了系统的简化模型，这为 进一步的分析和设计提供了理论基础。根据式 (7)，基于复平面的感应电机电压一电流矢量模 型为 F—o)一差一葫：i日乏赢q2) 众所周知，在双环调速系统中，整定好的电流 环可以等效为一个一阶惯性环节。为此，可以将 电流环的开环传递函数设计成一个积分环节。因 此，有 F。(s)一Fi。训(s)F。(s)=是／s(13) 此时，系统闭环传递函数为 Fcc∽2砉一熹 (14)l： S十足 根据式(12)和式(13)可得，电流控制器的传 递函数为 ‰。。。(，)一忌生生坠坐然 一是也。+型盟趔(15) 一K。+堕}趔 ’ S 其中 K。一是儿。 Ki=忌R： 由式(14)可知，系统在复平面内的矢量闭环 传递函数的虚部为零，因此，按式(15)设计电流控 制器时，系统d，q轴可以实现解耦控制。采用复 平面矢量控制器的感应电机电流控制系统结构如 图4所示。 图4基于矢量控制器的电流控制系统 Fig．4Currentcontrolsystembasedonvectorcontroller 从式(15)和图4可知，矢量电流控制器从形 式上看仍然是一个PI型控制器，相对于普通PI 型控制器，该控制器在积分环节增加了交叉解耦 项的处理；从本质上讲，相对于普通标量型PI控 制器，该控制器是一个复平面矢量控制器；从控制 器参数看，该控制器在整定好系数后，无需电机参 数，也可实现电流解耦控制，相对于带前馈补偿的 PI控制器，该方法具有更强的参数鲁棒性。 万方数据 刘军锋，等：感应电机在弱磁区的电流解耦控制研究 电气传动 2008年第38卷第8期 4 实验结果与分析 为了验证上述方法，本文在全数字感应电机 驱动系统上做了相关实验研究。该数字驱动系 统，核心处理器是TI公司的32位DSP—— TMs320砣812，该款D‘、P最高频率可达150MHz， 运算速度快，存储空间大，外设资源丰富，主要完 成实时性要求较高的矢量控制任务。 实验中，电流采样周期、电流控制周期、PwM 开关周期均为100弘s，速度采样和控制周期为500 肛s。给定转速为8ooor／min，上升时间为2s，将 同步旋转PI控制①和矢量控制器②的控制效果 进行了对比。图5为两者波形对比图，包括实际 转速响应、转矩电流和实际励磁电流波形。实验 中，两种方法的电流分配策略相同，图5所示均为 以额定值为基值的标么值格式。 一； 羹； 了： 0 2-0 雹lj 薹1．o 、0．5 ·J O —o．5 O．6 —0．4 署o．2 连 o ．√-o．2 —0．4 tfs (矗)实际转速波形 O 0．5 1．o1．5 2．02．53．o3．5 4_o 眺 (c)实际励磁电流波形 图5 同步PI控制器与矢量控制器实验对比 Fig．5ComparisonofsynchronousrotationPI controllerandvectorcontroner 从图5b和图5c可知，采用同步旋转PI控制 器的系统，当达到一定的速度后，电流耦合效应 明显，控制器无法实现解耦控制，且系统出现振 荡；采用矢量控制器的系统，在O～8ooor／min的 调速范围内均可实现电流解耦控制，动态过程平 滑稳定，并且进入稳态更快。从图5a可知，采 用电流矢量控制器的系统，速度响应比采用同步 旋转PI控制器的系统要快，这也进一步说明了 后者的电流调节速度更快，而且产生的动态力矩 更大。 5 结论 本文基于复平面矢量分析法，建立了基于复 平面的感应电机电压一电流矢量模型，得到了具 有复数形式的系统闭环传递函数。在该传递函数 的基础上，应用频域分析法，分析了d，g轴电流 耦合的本质，提出了衡量耦合强度的标准函数及 一种复平面矢量控制器，该控制器在确定控制器 参数后，无需电机参数就可在宽调速范围内实现 电流解耦控制。全数字感应电机驱动系统上的对 比实验，证明了该方法的有效性和正确性。 参考文献 [1]XuXY，NovotnyDw．SelectionoftheFIuxReferencefor InductionMachineDrivesintheFieldWeakeningRegion [J]．IEEETransactionsonIndustrialAppIications，1992， 28(6)：1353—1358． [2]KimSH，SulSK．Ma】cimumTorquecontroIofanInduc— tionMachineiIItheFieldweak朗ingRegion[J]．IEEE 1bnsactio鹏0nITldustrialAp曲catio璐，1995，31(4)：787— 794． [3]KimSH，sulsKVoltagecontrolstmtegyforMaximum TorqueoperationofanlnductionMachineintheF乱!ld· w朗keningRegion[J]．1EEETrans．onIndustrialElectron— ics，1997，44(4)：512—518． 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